CC BY
17
УДК 631.3.001.361
Схемы и конструктивные решения упрощённых зерноуборочных агрегатов на базе универсальных и пропашных тракторов
А. Д. Чистяков, Ю. И. Ермольев
(Донской государственный технический университет)
Предложены конструктивные решения упрощённых зерноуборочных агрегатов на базе универсальных (пахотных) и пропашных тракторов, обеспечивающих уборку с затратами существенно ниже комбайновой. Конструктивные решения получены на основе моделей прогнозирования направлений развития средств механизации. Составы уборочных комплексов и способы взаимодействия агрегатов отработаны на имитационных моделях.
Ключевые слова: энергетическое средство, срезанная хлебная масса, молотильно-сепарирующее устройство, зерновой ворох, временное складирование, подборщик вороха, пневмосепарация.
Введение. Более чем за 200 лет истории комбайностроения классическая схема зерноуборочного комбайна претерпела незначительные, непринципиальные изменения, связанные с «модой» на конструктивные решения узлов и систем. В то же время каждые 100 лет значительно (на 85— 90 %) меняется структура питания населения, состав кормов сельскохозяйственных животных, происходит весьма неравномерное для различных культур изменение урожайности, что приводит к существенным изменениям составов и соотношений сельскохозяйственных культур в севооборотах хозяйств. В последние десятилетия ускорение научно-технического прогресса привело к изменениям в структуре питания населения и кормления сельскохозяйственных животных на 1— 1,5 % в год. Широкое применение технологий глубокой биохимической переработки требует производства других культур и других их состояний (например, по зрелости). Вследствие этого и причин экономико-социального характера, в нашей стране и во всём мире наметились тенденции к сокращению объёмов зерноуборки [1].
Предлагаемое решение. На рис. 1 приведена диаграмма значений прогнозируемых нами на 20 лет вперёд объёмов зерноуборки в га на душу населения для сценариев развития, охватывающих диапазон производства зерна от 300 до 1500 кг на душу населения в год. Из диаграммы видно, что при сохранении сегодняшних тенденций развития объёмы зерноуборки сократятся на 1/3 при любом сценарии развития. Тем не менее, за последние 40—50 лет и у нас в стране, и во всём мире происходит развитие комбайностроения, концентрация и даже глобализация производства зерноуборочных комбайнов.
Массовое применение зерноуборочных комбайнов проявило существенные недостатки, присущие выпускаемым в настоящее время комбайнам. Очень высокая концентрация операций в одной машине, присущая современным самоходным комбайнам, при большой производительности, жёстких ограничениях на чистоту, потери и травмирование зерна, при высоких требованиях долговечности и надёжности приводит к росту массы машины. Это порождает проблемы высокой стоимости, уплотнения почвы при уборке, снижающей урожайность сельхозкультур, высокой квалификации кадров для эксплуатации, обслуживания и ремонта. К недостаткам комбайновой уборки можно отнести затруднённость раздельного сбора лёгкой фракции (полова) и соломистой фракции, что снижает эффективность использования незерновой части урожая в животноводстве.
Рис. 1. Диаграмма значений прогнозируемых на 20 лет вперёд объёмов зерноуборки в га на душу населения для сценариев развития с объёмами производства зерна на душу населения в год: базовый — современные объёмы уборки при 700 кг; излишне оптимистичный — 1500 кг; умеренно оптимистичный — 1000 кг; реалистичный — 750 кг; умеренно пессимистичный — 450 кг; излишне пессимистичный — 300 кг
Ещё одной проблемой комбайновой уборки является самая строгая, сопряжённая с неминуемыми и весьма существенными потерями времени, «перегрузочная» организация уборочнотранспортной операции, что приводит к снижению эксплуатационной производительности уборочного комплекса.
В то же время все 200 лет истории комбайностроения с разной степенью успешности ведутся атаки на классическую схему комбайна. А в последние 40—50 лет, параллельно с концентрацией производства зерноуборочных комбайнов, эти атаки стали не только серьёзными, но и в значительной мере успешными.
К несомненно успешным атакам на классическую схему зерноуборочного комбайна следует отнести создание и освоение производства прицепного комбайна «Простор» и монтируемо-прицепного комбайна для УЭС «Полесье» с роторными молотильно-сепарирующими устройствами.
К таким достаточно успешным атакам на классическую схему следует отнести доведённые до опытной эксплуатации схемы «Невейки», разработанной в Зернограде под руководством академика РАСХН Э. И. Липковича, схемы «промышленного» способа уборки, реализованной в станице Каневской, «Казахского» метода уборки.
«Камнем преткновения» для широкого внедрения схем «Невейки», «Каневского» и «Казахского» методов стала доставка «на стационар» для очистки («Невейка») или обмолота и очистки («Каневской» метод) зерносоломистой массы, плотность которой для «Невейки» не превышала 200 кг/м3, а для «Каневского» метода — 50—70 кг/м3.
О полном исчерпании возможностей классической схемы зерноуборочного комбайна свидетельствуют S-образный характер кривых развития параметров комбайнов во времени, приведённый в работах А. И. Русанова и Г. М. Журавлёвой [2] .Достаточно дифференцировать такую интегральную кривую, и становится очевидным резкое падение «прироста» параметров во времени, указывающее на исчерпание возможности такой схемы комбайна.
На кафедре сельхозмашин ДГТУ была разработана система моделей прогнозирования развития средств механизации, включающая сценарные прогнозы потребности в технике, син-
тез схемных решений и конструктивных реализаций этих схем на основе теории нечётких множеств [3].
В результате проведённых нами прогнозов для рассмотренных сценариев развития наибольшим спросом будет пользоваться навесной на энергетическое средство (трактор) зерноуборочный агрегат, уборочная машина которого включает жатвенную часть, роторное молотильно-сепарирующее устройство пропускной способностью 4—5 кг/с., вертикальный пневмосепаратор и транспортёр. Очищенный в пневмоканале зерновой ворох накапливается в прицепном бункере. Отличие от ранее исследовавшейся схемы «Невейки» в том, что транспортирование на существующие стационарные зерноочистительные агрегаты (типовые или с частичной модернизацией) происходит «продутого» зернового вороха плотностью (натурой) 600—650 кг/м3.
Рис. 2. Схема зерноуборочного агрегата: 1 — энергетическое средство; 2 — режущий аппарат; 3 — шнек жатки; 4 — роторное молотильно-сепарирующее устройство; 5 — шредер; 6 — шнек; 7 — пневмосепаратор зернового вороха; 8 — при-
гр> ГР г-1)
цепной сменный бункер; 1_1 — срезанная хлебная масса; — зерновой ворох; V — соломенный ворох;
I----\
-----у — лёгкая фракция (полова)
Зерноуборочный агрегат (рис. 2) представляет собой навешенную на трактор жатку, соосно со шнеком которой установлено аксиальное роторное молотильно-сепарирующее устройство (попытки совместить аксиальное роторное молотильно-сепарирующее устройство и жатку предпринимались в ГСКБ «Ростсельмаш» в 1952—1954 гг., но не были завершены из-за технологических проблем, присущих тому уровню развития производства). Проход молотильно-сепарирующего устройства — зерно, полова, сбоина, колоски, насыпной плотностью 150—
180 кг/м3, подаются в вертикальный пневмосепаратор. Сход молотильно-сепарирующего устройства — соломенный ворох — после измельчения (или без измельчения) расстилается по полю. При высоте пневмосепарирующего канала около 1,5 м плотность зернового вороха, накапливаемого в прицепном бункере, составит 600—650 кг/м3, что уже вполне приемлемо для транспортирования. Мощность, необходимая на привод такой уборочной машины, по нашим оценкам, не превысит 40^45 кВт.
Чтобы расширить возможности агрегатирования уборочных машин, в результате целенаправленного поиска и системной оценки вариантов на имитационных моделях уборочнотранспортных комплексов нам удалось синтезировать схемы и конструктивные решения средств механизации, реализующие описанный выше технологический процесс, но потребляющие на привод рабочих органов не более 28—30 кВт (соответствует возможностям привода от пропашного трактора).
Для этих машин найдена организация взаимодействия агрегатов, обеспечивающая переход от «перегрузочной» на более свободную, «перевалочную» технологию организации уборочно-транспортного комплекса, исключающая потери времени на ожидание при взаимодействии рабочих и транспортных звеньев комплекса. К тому же, организация технологического процесса этого комплекса позволяет не терять, а накапливать ценный компонент кормов сельскохозяйственных животных — полову (выходную фракцию после пневмосепаратора).
Возможность введения в комплекс ещё одного специализированного агрегата позволит из накопленной половы получать гранулированный корм.
Предлагаемый для этой технологии уборочно-перерабатывающий комплекс включает три последовательно работающих агрегата: уборочный, очистительный и агрегат производства гранулированных кормов.
2 3 1
Рис. 3. Схема уборочного агрегата комплекса: 1 — энергетическое средство; 2 — режущий аппарат; 3 — шнек жатки; 4 —
роторное молотильно-сепарирующее устройство; 5 — шнек; 6 — прицепной сменный бункер;
Г
■ срезанная хлебная
масса;I
— зерновой ворох;
■ соломенный ворох
Уборочный агрегат этого комплекса представляет собой навешенную на трактор жатку, за которой установлено аксиальное роторное молотильно-сепарирующее устройство. Проход моло-тильно-сепарирующего устройства — зерно, полова, сбоина, колоски насыпной плотностью 150— 180 кг/м3 — транспортёром подаётся в прицепной бункер агрегата вместимостью 60—80 м3 (рис. 3). Сход молотил ьно-сепарирующего устройства — соломенный ворох — после измельчения (или без измельчения) расстилается по полю. Накапливаемый в прицепном бункере зерновой во-
и
Рис. 4. Схема очистительного агрегата: 1 — бурт зернового вороха; 2 — подборщик вороха; 3 — энергетическое средство; 4 — транспортёр; 5 — пневмосепарирующий канал; 6 — сепарирующее устройство; 7 — вентилятор; 8 — зерновой шнек;
9 — транспортное средство; 10 — валок крупных примесеи; 11 — бурт половы; 12 — осадочная камера; |_| — зерновой
ворох; — полова; 1 ^ — зерно; — крупные примеси
Вынос пневмосепарирующего канала — полова и сбоина — укладывается в бурт. Очищенный зерновой ворох подаётся в транспортное средство для доставки на зерноочистительный комплекс хозяйства.
Агрегат производства гранулированных кормов организационно не связан с работой уборочного и очистительного агрегатов. Агрегат производства гранулированных кормов (рис. 5) состоит из энергетического средства, навешенной на него машины и прицепа-накопителя гранул.
рох разгружается на краю поля на расстилаемый при разгрузке защитный экран (например, полиэтиленовая плёнка). При ширине захвата жатки 4 м, урожайности до 45 ц/га и длине гона 1000 м разгрузка прицепного бункера производится с одной стороны поля. При урожайности более 45 ц/га — с двух сторон.
Очистительный агрегат начинает работу непосредственно за уборочным агрегатом или с некоторым отставанием во времени. На работу очистительного агрегата суточные колебания влажности (роса, например) влияния не оказывают. В случае дождя выгруженный на экран зерновой ворох может быть укрыт плёнкой.
Очистительный агрегат (рис. 4) состоит из очистительной машины, навешенной на трактор. Очистительная машина включает подборщик зернового вороха, транспортёр, пневмосепарирующий канал.
-Ч
Машина для производства гранулированных кормов (рис. 5) включает подборщик половы, транспортёр, смеситель половы и белково-витаминной пасты, гранулятор, транспортёр-охладитель и бункер для пасты.
6
Рис. 5. Схема агрегата для производства гранул: 1 — энергетическое средство; 2 — подборщик половы; 3 — бурт половы; 4 — транспортёр; 5 — смеситель половы и белково-витаминной пасты; 6 — бункер для белково-витаминной пасты; 7 —
гранулятор; 8 — транспортёр-охладитель; 9 — прицеп накопитель для гранул; "C^=i— полова; 1 — белкововитаминная паста; ^ гранулы
Выводы. Расчёты показывают, что стоимость уборочного агрегата с пневмосепарирующим каналом составит 50 % стоимости прицепного или 30 % стоимости самоходного зерноуборочного комбайна, а стоимость комплекта из уборочной и очистительной машин будет на 40 % меньше, чем прицепного, и на 60 % меньше стоимости самоходного комбайна такой же пропускной способности.
Платёжеспособный спрос на эти машины, даже при нынешнем уровне доходов в сельском хозяйстве, может достигать 30 тыс. комплектов в год, в дополнение к существующему объёму продаж зерноуборочных комбайнов.
Библиографический список
1. Чистяков, А. Д. Прогноз потребности в средствах механизации сельского хозяйства на перспективу в 20 лет / А. Д. Чистяков // Научные основы решения проблем сельскохозяйственного машиностроения: сб. науч. тр. — Тула: ТулГУ, 2003. — С. 111—119.
2. Русанов, А. И. Инженерная методика прогнозирования развития зерноуборочных комбайнов / А. И. Русанов, Г. М. Журавлёва //Тракторы и сельхозмашины. — 1997. — № 1. — С. 5—7.
3. Чистяков, А. Д. Прогнозирование структуры сельскохозяйственных машин / А. Д. Чистяков. — Ростов-на-Дону: Изд. центр ДГТУ, 2003. — 195 с.
Материал поступил в редакцию 24.01.2012.
References
1. Chistyakov, A. D. Prognoz potrebnosti v sredstvax mexanizacii sel'skogo xozyajstva na perspektivu v 20 let / A. D. Chistyakov // Nauchny'e osnovy' resheniya problem sel'skoxozyajstvennogo mashinostroeniya: sb. nauch. tr. — Tula: TulGU, 2003. — S. 111—119. — In Russian.
2. Rusanov, A. I. Inzhenernaya metodika prognozirovaniya razvitiya zernouborochny'x kombajnov / A. I. Rusanov, G. M. Zhuravlyova // Traktory' i sel'xozmashiny'. — 1997. — № 1. — S. 5—7. — In Russian.
3. Chistyakov, A. D. Prognozirovanie struktury' sel'skoxozyajstvenny'x mashin / A. D. Chistyakov. — Rostov-na-Donu: Izd. centr DGTU, 2003. — 195 s. — In Russian.
SCHEMES AND CONSTRUCTION SOLUTION FOR SIMPLIFIED COMBINE HARVESTERS BASED ON MULTIPURPOSE AND ROW-CROP TRACTORS
A. D. Chistyakov, Y. I. Yermolyev
(Don State Technical University)
Some construction solutions for the simplified combine han/esters based on the universal (croplands) and row-crop tractors, which provide harvesting with much lower expenses than under combining, are offered. The construction solutions are obtained on the basis of the models predicting the directions for the mechanical equipment development. The component parts and interaction in the harvesting aggregates are developed on the simulation models. Keywords: power source, cut-off grain weight, threshing separation device, grain lots, temporary stocking, lots sorter, pneumoseparation.
